一种模拟喀斯特地区根系地下生长装置及方法

本发明涉及模拟实验，特别是涉及一种模拟喀斯特地区根系地下生长装置及方法。

背景技术：

1、根系是植物吸水的主要器官，它不断从生境土壤中获得养分和水分，其形态和分布直接反映植物对立地的利用情况、对植物的生长具有决定性作用，还直接参与土壤中物质循环和能量流动两大生态过程，对土壤结构改善、肥力发展和土壤生产力的发挥重大意义，也是植被与土壤界面进行物质和能量交换的唯一桥梁。特殊的地质条件和自然地理特征造就了喀斯特地区地上地下二元三维结构，喀斯特区复杂的生境、地下裂隙发育、地表土壤向下移动，形成地下空间异质性，植物根系不仅存在于地表和土壤，还生长分布于地下不同岩块所形成的复杂多层空间中。喀斯特地区二元三维结构对植物根系生长存在重要影响，岩石裸露和地下裂隙空间变化驱动着土壤及植物根系分布。因此，深入研究喀斯特地区根系地下分布及其生长特征，是喀斯特地区科研工作者关注的重点和难点问题。

2、目前，在国内外研究植物根系生长及植物地下环境相互作用时，一般采用野外土块取样或者放置根系生长监测系统。但在岩溶地区，因其特殊的地质结构及其发育特征，在岩溶地质表层形成一个与其他环境完全不同的具有二层或三层结构的表层岩溶带，植物根系分布在薄土层之下的石缝中，甚至地下水层当中，因而在研究植物根系时无法观测和采集完整的植物根系。目前，研究喀斯特地区植物根系生长发育特征及植物抗逆性，一般采用直接在野外观测取样和室内人为控制实验观测取样两种方法。但在野外观测和取样时，实验条件难以控制，而通常的室内人为控制实验，虽然能控制试验条件，但不能模拟土壤以下岩石层和水层，往往使实验结果与现实有很大偏差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种模拟喀斯特地区根系地下生长装置及方法，以解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种模拟喀斯特地区根系地下生长装置及方法，包括：

3、地下水模拟层，所述地下水模拟层设置在水箱内，所述水箱内设置有水循环机构，以使得所述地下水模拟层模拟地下水流动姿态；

4、岩土混合层，所述岩土混合层设置在箱体内，所述箱体的顶面和底面均开放设置，所述箱体的底面设置有连通机构，且所述箱体通过所述连通机构与所述水箱内腔连通设置，以使得所述岩土混合层与所述地下水模拟层连通；所述连通机构用于调节所述箱体内腔与所述水箱的连通缝隙的面积，所述连通机构对所述箱体内腔底部进行封堵形成模拟腔室，所述模拟腔室用于装填岩土混合层；

5、若干模拟溶洞，若干所述模拟溶洞间隔设置在所述岩土混合层内，所述箱体内沿竖向方向等间距设置有若干溶洞制造机构，以使得所述模拟溶洞形成；

6、植被模拟层，所述植被模拟层设置在所述岩土混合层顶面；

7、其中，所述箱体外壁上设置有观测机构，所述水箱内壁上设置有碳酸盐补充机构，以使得在所述岩土混合层内补充碳酸盐。

8、优选的，所述溶洞制造机构包括：

9、横移螺杆，所述横移螺杆设置在所述箱体内腔一侧，所述横移螺杆的一端与所述箱体内壁转动连接，所述横移螺杆的另一端贯穿所述箱体、且与所述箱体转动连接，所述横移螺杆的端部固接有把手；

10、导向杆，所述导向杆设置在所述箱体内腔的另一侧，所述导向杆的两端均与所述箱体内壁固接，所述导向杆与所述横移螺杆平行设置；

11、连杆，所述连杆的两端分别固接有螺纹套和导向套，所述螺纹套套设在所述横移螺杆上、且与所述横移螺杆通过螺纹连接，所述导向套套设在所述导向杆上、且与所述导向杆滑动接触；

12、调节套，所述调节套套设在所述连杆上、且与所述连杆滑动接触，所述调节套上通过螺纹连接有遮挡平台，所述遮挡平台上开设有若干通孔。

13、优选的，所述碳酸盐补充机构包括：

14、若干环形管，若干所述环形管竖向等间距设置在所述箱体内壁上，所述环形管的内壁连通设置有若干喷液头，所述环形管连通设置有分流管的一端，若干所述分流管的另一端贯穿所述箱体连通有同一汇流管，所述汇流管与外接供液设备连通。

15、优选的，所述模拟岩石块为亚克力材质。

16、优选的，所述连通机构包括：

17、隔板，所述隔板上开设有若干连通孔，所述隔板的底面固接有若干封堵框，所述封堵框上通过螺纹连接有若干封堵螺杆，若干所述封堵螺杆与若干所述连通孔一一对应设置，所述封堵螺杆的一端固接有封堵转盘，所述封堵螺杆的另一端贯穿所述连通孔固接有封堵球，以使得所述封堵球通过所述封堵螺杆对所述连通孔的开放面积进行调节。

18、优选的，还包括：

19、下限位框，所述水箱的顶面开设有限位通孔，所述下限位框与所述隔板底面边缘固接，所述下限位框与所述限位通孔插接；

20、上限位框，所述上限位框固接在所述隔板顶面边缘，所述上限位框与所述箱体的底部内腔插接，且所述上限位框与所述箱体通过若干限位螺栓固接。

21、优选的，所述水箱的底部外壁上固接有限位环，所述限位环与所述水箱顶面相抵。

22、优选的，所述水循环机构包括：

23、进水管和排水管，所述进水管和所述排水管分别设置在所述水箱内腔两端，所述进水管上连通设置有若干进水喷头，所述排水管上连通设置有若干排水吸头，所述水箱的底面固接有水泵，所述水泵的输出端通过管道与所述进水管连通设置，所述水泵的输入端通过管道与所述排水管连通设置。

24、一种模拟喀斯特地区根系地下生长的方法，包括如下步骤：

25、将连通机构安装在箱体的底部，并将箱体放置在水箱上进行组装；

26、调整溶洞制造机构在箱体内的位置；

27、向箱体逐层布置不同粒度的模拟岩石块并混合土壤，建立岩土混合层并形成若干模拟溶洞，其中，模拟岩石的粒度从下到上粒度依次增大；

28、在岩土混合层顶部铺设土壤并种植植被，建立植被模拟层；

29、向水箱内加水并开启水循环机构，建立地下水模拟层并模拟地下水流动姿态；

30、通过观测机构进行观测。

31、优选的，所述水箱的底面固接有框架，所述水箱的顶部设置有补水口。

32、本发明公开了以下技术效果：

33、1.通过设置的水循环机构可以对地下水进行模拟，设置的连通机构对箱体底部进行封堵的同时，还可以调节与水箱的连通缝隙的大小，可对不同裂隙中根系生长进行动态观测，同时能够对其根系生长速度和形态变化进行动态检测，实现对喀斯特地区的二元三维结构中根系生长过程和形态变化进行动态监控；

34、2.设置的溶洞制造机构在未进行模拟岩石块以及土壤的装填之前进行位置调节，进而实现对模拟溶洞的位置的调整，再装填模拟岩石块以及土壤，在溶洞制造机构的遮挡作用下，使得其底部形成空腔，以模拟喀斯特溶洞位置，找出喀斯特区复杂的生境、地下裂隙发育、土壤地下移动空间变化对根系生态变化的影响，定量地获取不同岩石裸露率、裂隙宽度和裂隙走向下根系蠕动和生长特性的参数，从而动态定量精准的监测出喀斯特基岩裂隙中根系生长速度；

35、3.本专利在完成模拟岩石块以及土壤的装填后，还可以继续调节溶洞模拟机构的位置，对模拟岩石块进行扰动，实现对岩石之间裂隙走向的调节，设置的观测机构可以对植物根系走向进行实际观测，设置碳酸盐补充机构可以进行碳酸盐的填充，进而实现对喀斯特地区真实模拟。本发明具备的可调节结构，使用范围不再限定固定条件数值下的死板模拟，可根据科学研究的需求对自然环境中不同岩石裸露、不同裂隙宽度、不同基岩裂隙走向等的环境条件进行灵活的实现，也降低了喀斯特地区地上地下二元三维结构的模拟中不必要的成本。